多传感器一致性校准方法与分析

余学锋，万 尧，刘海勇

（1.63870部队，陕西 华阴 714200；2.衡水建设工程质量监督站，河北 衡水 053000）

0 引 言

在常规武器试验靶场，经常遇到多传感器一致性的校准问题。对于武器参数测试平台而言，多传感器一致性校准对应的就是偏载误差。目前有关采用多个传感器的电子汽车衡、电子地上衡的偏载误差校准方法，都是基于调整各个传感器的输出灵敏度和输出阻抗尽可能一致。具体是在每个传感器输出端串入偏置电阻，观察输出信号变化情况调整偏置电阻大小[1]。由于各个传感器采用并联工作方式，调整过程中存在相互作用，相邻承重点也会互相影响，因此调整某一传感器的偏置电阻，相邻角上的传感器输出电压也会随着产生微小的变化。调整过程中不易控制调整量的大小，往往出现稍一调就过头的现象，需反复调整，耗时费力[2]。为此本文提出了一种新的基于归一化算法的偏载误差校准方法，操作简单，校准精度高。

1 原理与方法

1.1 平台实际测试情况描述

武器系统测试平台台面尺寸为3m×4m，采用了4只模拟式称重传感器分布于平台四角，显示控制单元内设置了用于调整偏载误差的PCB板。对于该武器系统测试平台而言，多传感器一致性校准就是无论武器系统放置于平台的任何位置，其传感器测量结果的分布都应该满足小于1%的技术指标要求。

在平台传感器承重板的基础安装完成后，就要对有关参数进行调整，调整的目的是为了消除偏载误差。以往都是在每个传感器输出端串入偏置电阻，通过调整各传感器对应的偏置电阻来微调阻抗灵敏度，使得各个传感器输出阻抗和灵敏度系数尽量一致来降低偏载误差。然而实际调整过程需要丰富的经验，效率不高，有必要进行改进。

如图1所示，在虚线左侧的每个传感器方框中都包含了一个桥式电路组件和电压-电流转换器，这样传感器感应的质量变化均表现为电流输出变化；因此，可以把传感器输出看作是电流源输出。在虚线右侧的电路器件全部集成在一块控制板 （PCB）板上，对多传感器电流输出采用了并联组合方式，R0为称重传感器输出限流电阻，大小为R0=30kΩ。在Pi点设有偏置电阻连接端口（未调整前为短接状态），所有输出电流通过并联输入到运算放大器输入端。

图1 武器系统测试平台称重传感器硬件结构简化图

1.2 校准原理及调整方法

在以往谈到校准偏载误差的时候，一般是使传感器输出灵敏度和输出阻抗的比值一致，使各传感器间满足 S1/R1=S2/R2=…=Sn/Rn（Si为灵敏度，Pi为输入阻抗），或使得各传感器在同样的载荷下有相同的输出[3]。而从偏载误差校准角度来说，希望有一个可调整的参量。该平台称重传感器制造商在技术参数中给了电流校准值（current calibration）这个参量。它定义为灵敏度输出与输出阻抗之比，其量纲为电流，所以称为电流校准[4]。也就是说在这个定义下，校准偏载误差的核心变为在空载与加载后，每个传感器输出电流变化量应该相等。

另外，由于平台采用了4个传感器并联工作方式，各传感器的输出阻抗和特征值（灵敏度）不同，会产生并联附加误差，而导致在承受非均布载荷时产生测量误差[5]。只有当并联的所有传感器的输出阻抗相同时，总的输出特性才符合算术平均值电路特性。否则，在非均布载荷的情况下，即各传感器输出不等时，就不能用算术平均的方法得到总输出。因此，为了消除或减少附加误差，也需要通过补偿调整使各传感器输出阻抗和灵敏度保持一致。

下面将以电流参量为基础进行传感器并联使用时偏载误差的校准和调整。

由图1可以得到每个传感器的输出电流模型为

平台空载与加载后，其输出电流差值为

对于单个传感器测量，要求输出电流变化与被测质量变化成正比。在多传感器条件下，同样也希望各传感器总输出电流的变化与被测质量变化成正比。总的输出电流为各传感器输出电流之和的l/n。从上述计算模型可以看出，在同样的空载与加载后，每个传感器输出电流变化量应该相等，消除并联时的附加误差，就必须使 ΔI1=ΔI2=…=ΔIn，从而实现 ΔI=kΔIi。

理论上讲，对于同样的载荷，各传感器的输出电流差值应该相同。而由于各种原因，在平台安装完毕后不能达到要求。显然通过对传感器输出模型的分析，偏载误差的校准就是在同样载荷下使各传感器的输出电流相同。为此设计了基于归一化理论的偏载误差校准方法。这种方法不同于单个传感器输出信号调整方法，它是在知晓各传感器输出数据间差异的前提下，为消除这样的差异而进行的简单数据归一方法[6]。

该方法以传感器输出的灵敏度分布为权值，将归一化处理后各传感器对电阻测量值加权后反算回整个处理电路，经运算放大器处理后得到新的测量结果。

在平台空载的情况下，将高精度的数字电压表分别连接至点Pi，测量输出电压V00，则空载时各个传感器给出的电流为

在平台上施加满量程1/3的标准砝码，将高精度的数字电压表分别连接至点Pi，测量输出电压V0f，则有载时各个传感器给出的电流为

各个传感器输出电流差值为

找出电流差值最小值所对应的传感器，其电流变化值计为ΔImin，该传感器的偏置电阻值为0。计算其他传感器的偏置电阻时，将最小电流值ΔImin代入式（8）得1组测量数据如表1所示。若采用1%准确度的金属膜电阻，则最接近的标称电阻值分别为715，412，768Ω。

表1 归一化方法传感器偏置电阻数值计算结果

2 实际应用情况

在实际现场校准中采用了多路数据采集系统，从平台控制单元中将4个传感器输出连接至数据采集系统的输入通道。首先在空载的情况下，采集4个传感器输出电压值；然后利用一辆叉车，铲起平台最大秤量（满量程 50t）的 1/（n-1）砝码（此时总质量约为17 t），视为同一载荷；将砝码分别放在每个称重传感器上方的承载器上，让叉车重心基本对准承重点(称重传感器)位置。数据采集系统依次采集叉车在各承重点位置时对应传感器的电压输出值，整个流程如图2所示，测量数据如表1所示。

图2 偏载误差校准流程图

表2 归一化方法调整前后偏载误差变化情况

由于在数据采集系统中已经嵌入了偏置电阻的计算软件，因此数据采集系统会立即给出传感器应配置的电阻值。选择与计算值相近的标称电阻（1%准确度的金属膜电阻），连接于PCB板上，重新按照偏载误差校准方法对平台进行校准，结果如表2。可以看出，通过对各传感器偏置电阻的归一化调整后平台偏载误差小于0.29%，而在未经过调整前平台的偏载误差为2.88%，调整前后偏载误差降低约10倍。而整个校准过程简单，时间不超过10min。

在校准及调整过程中，不确定度来源主要有：数据采集系统电压测量结果不确定度（20μV/1V量程），测量限流电阻时数字电压表的测量结果不确定度（0.70 Ω/100 kΩ量程），最终依据电阻计算值调整配置电阻时受电阻标称值限制引起的不确定度，计算值与标称值之差引起的不确定度等[7]。通过实际分析计算，上述所有不确定度相对于最后的偏载误差调整的影响不超过0.05%。

3 结束语

以各传感器输出电流变化量为校准参量，采用归一化方法获得偏置电阻调整值，可有效减少偏载误差调整过程的盲目性，提高调整效率。本文提出的方法是在产品级水平进行校准，在降低传感器阻抗灵敏度不一致的同时也可消除装配误差[8]。

基于归一化数据处理的偏载误差校准方法，便于计算机自动测量及数据处理，一次测量过程便可得到各传感器偏置电阻值，避免了以往一些方法的反复调整，效率明显提高。虽然受数据采集系统测量误差以及配置电阻标称值的限制，所选择的偏置电阻值与实际计算值不完全相同，但是由此引起的误差已经小到足以满足称重传感器偏载误差调整的技术指标要求。

[1]黄惠鹏，林建伟.电子秤偏载误差的调整方法[J].计量技术，2003（2）：60-62.

[2]李戎，杨青锋.称重传感器在衡器应用中的偏载调整[J].衡器，2010，39（5）：25-28.

[3]刁联旺，王常武.多传感器一致性数据融合方法的改进与推广[J].系统工程与电子技术，2002，24（9）：60-63.

[4]Bucci G，Landi C.A distributed measurement architecture for industrial applications[J].IEEE Trans Instrum Meas，2003，52（1）：165-174.

[5]涂国平，邓群利.多传感器数据的统计融合方法[J].传感器技术，2001，20（3）：28-30.

[6]段战胜，韩崇昭，陶唐飞.基于最近统计距离的多传感器一致性数据融合[J].仪器仪表学报，2005，26（5）：487-481.

[7]Stubberud S C，Krame K A，Geremia J A.Online sensor modeling ueing a neural kalman filter[J].IEEE Trns Instrum Meas，2007，56（4）：1451-1458.

[8]闫俊，石韬.多传感器配准估计方法与实现[J].电光与控制，2008，15（6）：61-63.